DE2806493A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents

Halbleiterbauelement

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DE2806493A1 DE19782806493 DE2806493A DE2806493A1 DE 2806493 A1 DE2806493 A1 DE 2806493A1 DE 19782806493 DE19782806493 DE 19782806493 DE 2806493 A DE2806493 A DE 2806493A DE 2806493 A1 DE2806493 A1 DE 2806493A1
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Frederick Peter Jones
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Description

Dr.-lng. Reimar König · Dlpl.-ing. Klaus Bergen Cecilienallee 76 4 Düsseldorf 3O Telefon 45SDOS Patentanwälte
14. Februar 1978 31 994 B
RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)
"Halbleiterbauelement"
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement aus einem Halbleiterkörper mit mindestens zwei Zonen entgegengesetzten Leitungstyps und mindestens einem an einer Oberfläche des Halbleiterkörpers austretenden PN-Übergang zwischen den Zonen sowie einer aus hochohmigem polykristallinem Silizium bestehenden Schicht auf dieser Oberfläche. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Passivieren eines derartigen Halbleiterbauelementes.
Zum Passivieren, beispielsweise von an der Oberfläche austretenden PN-Übergängen an Halbleiterkörpern, wird häufig eine Schicht aus hochohmigem polykristallinem Silizium verwendet. Eine solche hochohmige Schicht kann durch Einlagern von Sauerstoff in aufwachsendes polykristallines Silizium gebildet werden. Diese Schicht weist ausgezeichnete dielektrische Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich des chemischen Passivierens einer Halbleiteroberfläche auf. Im allgemeinen wird eine Oberfläche als "chemisch passiviert" bezeichnet, wenn die entsprechende Passivierschicht dem chemischen Erzeugen von Ladungsträgern an der passivierten Oberfläche entgegenwirkt.
Eine Passivierschicht aus hochohmigem polykristallinem
Silizium kann jedoch - wegen der Schichtdicke - in der Regel an der Oberflächendurchtrittslinie eines Hochspannungs-PN-Übergangs erzeugte innere elektrische Felder nicht allein aufgrund ihrer dielektrischen Eigenschaften aufnehmen. Dieser Nachteil kann auch nicht durch den inneren elektrischen Feldern entsprechend übermäßig große Schichtdicken beseitigt werden, weil dann durch die Schicht führende Strompfade entstehen können und folglich die Spannungsfestigkeit der passivierten Durchstoßlinie des PN-Übergangs sogar vermindert wird. Eine einzige Schicht auch hochohmigem polykristallinem Silizium reicht daher zum Passivieren der Oberflächendurchtrittslinie eines PN-Übergangs nicht immer aus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Passivierung zu schaffen, die sowohl die ausgezeichneten dielektrischen Eigenschaften des hochohmigen polykristallinen Siliziums hinsichtlich des chemischen Passivierens als auch eine hervorragende Fähigkeit zum Aufnehmen der fraglichen elektrischen Felder aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine aus einem Passivierteilchen enthaltenden Passiviermittel hergestellte zweite Schicht auf der Oberfläche der (aus polykristallinem Silizium bestehenden) ersten Schicht. Bei den Verfahren zum Herstellen des Halbleiterbauelements besteht eine Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe darin, daß auf die Oberfläche der ersten Schicht eine Passivierteilchen enthaltende zweite Schicht aufgebracht und die zweite Schicht dann auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der sie verschmolzen bzw. mit der ersten Schicht verschweißt wird.
Durch die Erfindung wird die Durchtrittslinie eines PN-Übergangs an einer Halbleiteroberfläche durch ein
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Zwei- bzw. Mehrschicht-System passiviert, welches auch hohai inneren elektrischen Spannungen am PN-Übergang widerstehen kann. Ein äußerer Lichtbogen oder ein dielektrischer Durchschlag ist also nicht mehr zu befürchten.
Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der schematischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 und 2 nicht maßstabgetreue Querschnitte durch ein Halbleiterbauelement "nit einem an der Oberfläche austretenden, passivierten PN-Übergang in verschiedenen Herstellungsstadien.
Die Erfindung ist auf jede Art von Halbleiterbauelementen, z.B. solchen mit Mesa- oder Planarstruktur, anwendbar. In der nachfolgenden Beschreibung wird auf irgendein in den Fig. 1 und 2 insgesamt mit 10 bezeichnetes Halbleiterbauelement Bezug genommen.
Das Halbleiterbauelement 10 besteht aus einem Halbleiterkörper 12 mit einer ersten Zone 14 und einer zweiten Zone 16 mit P- bzw. N-Leitung. An der gemeinsamen Grenzschicht der Zonen 14 und 16 ist ein PN-Übergang 18 gebildet. Dieser erstreckt sich bis zu einer Oberfläche 20 des Halbleiterkörpers 12 und endet dort.
Zum Passivieren der Oberflächendurchtrittslinie des PN-Übergangs 18 ist auf der Oberfläche 20 über der Durchtrittslinie eine aus hochohmigem polykristallinem Silizium bestehende erste Schicht 22 gebildet. Unter dem Ausdruck "hochohmig" werden im vorliegenden Zusammenhang spezifische Widerstände in der Größenordnung von mindestens
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etwa 1000 Ohm-cm verstanden.
Ein Verfahren zum Herstellen der ersten Schicht 22 besteht darin, das polykristalline Silizium beim Bilden der Schicht mit Sauerstoffatomen zu dotieren. Beispielsweise kann eine aus polykristallinem Silizium bestehende erste Schicht 22 mit einer Dicke zwischen etwa 300 nm und 1000 nm sowie nachweisbarem Sauerstoffgehalt gebildet werden, wenn eine Mischung von gasförmigem Distickstoffoxid (N2O) und Silan (SiH^) in einer geschlossenen Kammer bei Temperaturen zwischen etwa 450 und 7000C für etwa 15 min reagiert. Der Sauerstoffgehalt der ersten Schicht 22 hängt in erster Linie von dem Mengenverhältnis von Distickstoffoxid zu Silan (NgO/SiH^) ab. Dieses Verhältnis wird im allgemeinen mit dem griechischen Buchstaben Gamma (^) gekennzeichnet. Es können auch andere Dotiermittel anstelle von oder gemeinsam mit Sauerstoff, z.B. Stickstoff oder ähnliches, zum Bilden der hochohmigen Schicht aus polykristallinem Silizium benutzt werden. Derzeit beim Herstellen der ersten Schicht 22 verwendete Gammawerte liegen zwischen etwa 0,2 und 0,3 und führen bei einer Reaktionstemperatur von etwa 6500C
zu spezifischen Widerständen zwischen etwa 5x10' Ohmes
cm und etwa 5 χ 10 Ohm-cm.
Nach dem Aufwachsen der ersten Schicht 22 wird diese vorzugsweise geglüht, d.h. für etwa 30 Minuten auf eine Temperatur von etwa 9000C erhitzt. Durch diese Wärmebehandlung wird eine sichere Verbindung zwischen dem Silizium und den darin enthaltenen Sauerstoffatomen gewährleistet.
Auf die erste Schicht 22 aus Passiviermaterial wird erfindungsgemäß eine aus Passivierteilchen gebildete zweite
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Schicht 24 aufgebracht (Fig. 2). Vorzugsweise besteht das Passiviermaterial der zweiten Schicht 24 aus einem glasartigen Pulver. Dieses wird zum Bilden einer Aufschlämmung zunächst in einem Binder, wie Alkohol, chloriertes organisches Lösungsmittel oder ähnlichem, suspendiert. Es kann erfindungsgemäß jedes in Partikelform darstellbares Passiviermittel benutzt werden. Ein bevorzugtes Passiviermittel zum Herstellen der zweiten Schicht 24 enthält etwa 50 Gew.% Blei- oder Zinkoxid, etwa 40 Gew.% Siliziumdioxid und etwa 10 Gew.Jo Aluminiumoxid. Die Aufschlämmung kann durch Rakeln, Sprühen oder ein ähnliches Verfahren auf die erste Schicht 22 aufgebracht werden. Vorzugsweise hat die aus Passiviermaterial bestehende zweite Schicht 24 eine Dicke zwischen wenigen Mikrometern und etwa 25 Mikrometern, z.B. etwa 4 Mikrometer.
Das Bauelement 10 wird dann erwärmt, um den Binder zu verdampfen oder abzubrennen. Wenn als Binder Alkohol verwendet wurde, wird das Bauelement für etwa 30 Minuten in Luft auf etwa 6400C erhitzt. Das Aufheizen ist ein wichtiger Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, da unvollständig verdampfter oder abgebrannter Binder im allgemeinen schlechte dielektrische Eigenschaften zur Folge hat.
Anschließend wird das Bauelement 10 auf eine Temperatur erhitzt, bei der die zweite Schicht geschmolzen und fließfähig wirdo Wenn die zweite Schicht 24 - wie oben beschrieben - ein Passiviermittel mit Bleioxid enthält, wird das Bauelement 10 bei diesem Verfahrensschritt zwischen etwa 10 und 15 min auf etwa 700 bis 10000C erhitzt. Beim anschließenden Abkühlen bildet sich zwischen der aus Passiviermaterial bestehenden
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zweiten Schicht 24 und dem Silizium der ersten Schicht 22 eine Schmelz- bzw. Schweißverbindung. Ein solches Passiviermaterial hat - für sich betrachtet - bei Arbeitstemperaturen unterhalb etwa 125°C ausgezeichnete elektrische Eigenschaften.
Wenn die erste Schicht 22 vor dem Bilden der zweiten Schicht 24 nicht geglüht wird, kann diese Wärmebehandlung anschließend durch Aufheizen des Bauelementes für etwa 10 Minuten auf eine Temperatur von etwa 925°C erfolgen. Je nach der Schmelztemperatur des Materials der zweiten Schicht 24 kann das Glühen der ersten Schicht 22 gleichzeitig mit dem Schmelzen bzw. Verschweißen der zweiten Schicht 24 ausgeführt werden. Nach dem Herstellen der zweiten Schicht 24 sollte diese ebenfalls geglüht werden. Bei diesem Verfahrensschritt kann das Bauelement 10 je nach Art der verwendeten Passivierteilchen für etwa 30 Minuten auf eine Temperatur zwischen etwa 450 bis 6500C erhitzt werden. Das Glühen dient hierbei dazu, etwa an der Grenzschicht zwischen der ersten und zweiten Schicht 22 und 24 sowie innerhalb dieser Schichten bestehende mechanische Spannungen zu beseitigen.
Während die zweite Schicht 24 allein im allgemeinen nur bis zu Temperaturen von etwa 125°C zum Passivieren geeignet ist, hat sich unerwartet herausgestellt, daß das erfindungsgemäß fertiggestellte Halbleiterbauelement 10 eine beträchtlich höhere thermische Stabilität aufweist. Beispielsweise bei einem Bauelement 1Qmit einer entsprechend Gammawerten von etwa 0,2 hergestellten ersten Schicht 22 von etwa 0,5 Mikrometern Dicke und mit einer darauf gebildeten zweiten Schicht 24 von etwa 4 Mikrometern Dicke konnte ein PN-Übergang 18 mit einer Sperrdurchdruchsspannung von etwa 1000 Volt ohne erkenn-
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bare Mangel bis zu Temperaturen von mindestens 2000G betrieben werden.
Durch die Erfindung können somit Bauelemente mit einem Mehrschicht-Passivier-System hergestellt werden, das auch bei derart hohen Betriebstemperaturen zuverlässig arbeitet. Das Mehrschicht-Passivier-System verträgt hohe innere elektrische Spannungen am PN-Übergang, ohne daß ein äußerer Lichtbogen oder ein dielektrischer Durchschlag auftritt.
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Claims (10)

  1. RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York. N. Y. 10020 (V.St.A,)
    Patentansprüche:
    M.) Halbleiterbauelement aus einem Halbleiterkörper mit mindestens zwei Zonen entgegengesetzten Leitungstyps und mindestens einem an einer Oberfläche des Halbleiterkörpers austretenden PN-Übergang zwischen den Zonen sowie einer aus hochohmigem polykristallinem Silizium bestehenden ersten Schicht auf dieser Oberfläche, gekennzeichnet durch eine aus einem Passivierteilchen enthaltenden Passiviermittel hergestellte zweite Schicht (24) auf der Oberfläche der ersten Schicht (22).
  2. 2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Passiviermittel aus einem in einem Binder suspendierten glasartigen Pulver besteht.
  3. 3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, d a d u rc h gekennzeichnet , daß das glasartige Pulver aus etwa 50 Gew.% Blei- oder Zinkoxid, 40 Gew.% Siliziumdioxid und 10 Gew.% .Aluminiumoxid besteht.
  4. 4. Verfahren zum Passivieren des Halbleiterbauelements gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß auf die Oberfläche der ersten Schicht (22) eine Passivierteilchen enthaltende zweite Schicht (24) aufgebracht und die zweite Schicht (24) dann auf
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    INSPECTED
    eine Temperatur erhitzt wird, bei der sie mit der ersten Schicht (22) verschmolzen bzw. verschweißt wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Schicht (22) vor dem Aufbringen der zweiten Schicht (24) geglüht wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet , daß die erste Schicht (22) für etwa 30 Minuten bei etwa 9000C gehalten wird.
  7. 7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (22) mit einer in einem Binder suspendierte Passivierteilchen enthaltenden Aufschlämmung beschichtet wird.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Aufschlämmung auf eine Temperatur zum Verdampfen oder Abbrennen des Binders erhitzt und auf dieser Temperatur für eine zum Entfernen des gesamten Binders ausreichende Zeitdauer gehalten wird.
  9. 9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis
    8, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Schicht (24) nach dem Verschmelzen bzw. Verschweißen mit der ersten Schicht (22) geglüht wird.
  10. 10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis
    9, dadurch gekennzeichnet ,
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    daß die zweite Schicht (24) nach dem bis zum vollständigen Verdampfen oder Abbrennen des Binders erfolgenden Erhitzen geglüht wird.
    9 fu
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